恒星“旋轉(zhuǎn)門”的時(shí)速揭示了年齡

原創(chuàng)2022-07-25 23:49·鄧如山

慶祝自己的生日是孩子們最高興做的一件事，長大以后，他們收到生日禮物的愉悅心情逐漸淡漠，在每年的生日到來時(shí)，他們失去了小時(shí)候那種期待的心情，生日只是人生的小插曲。人們不想讓別人知道自己的年齡，在歲月的流逝中，人們留意到自己的身體沒有以前那么利索。在宇宙的范圍，運(yùn)動遲緩不是生命體獨(dú)有的特性，歲月滄桑，人生苦短，人類的經(jīng)歷并不孤獨(dú)，當(dāng)恒星變老時(shí)，它們的運(yùn)動節(jié)奏變得緩慢，現(xiàn)在，天文學(xué)家破解了恒星年齡的奧秘，他們不是直接檢測了恒星的年齡，而是通過檢測恒星的旋轉(zhuǎn)速度破解了恒星年齡的難題。

哈佛·史密森尼天體物理學(xué)中心的索倫·梅伯姆解釋說，建構(gòu)宇宙學(xué)意義的時(shí)鐘是他們的首要目標(biāo)，通過恒星的旋轉(zhuǎn)速度精確地測定恒星的年齡，在建構(gòu)“恒星時(shí)鐘”的路途上邁出了實(shí)質(zhì)的步伐。梅伯姆參加了近日召開的全美天文學(xué)大會，向大會遞交了一項(xiàng)科學(xué)成果的說明，他們第一次延伸了恒星年齡的幅度，從10億年延展到了46億年，而太陽的年齡剛好是46億年。

恒星年齡是天文學(xué)家建構(gòu)“恒星物理學(xué)”的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，恒星和伴星的年齡是一項(xiàng)重要的天文指標(biāo)，恒星的物理特性隨著時(shí)間流逝發(fā)生了根本的變化，恒星年齡與天文學(xué)家搜索外星生命有特別的關(guān)聯(lián)，地球生命經(jīng)歷了漫長的演變，人們現(xiàn)在看到的地球生命體十分復(fù)雜?！昂阈菚r(shí)鐘”的準(zhǔn)確性會幫助天文學(xué)家確定恒星的年齡，帶有伴行星的恒星可能和太陽同齡，也可能比太陽的年齡小或大。

恒星的旋轉(zhuǎn)率與它們的年齡存在關(guān)聯(lián)，恒星的旋轉(zhuǎn)率隨時(shí)間流逝逐漸地下降，好似在桌子上旋轉(zhuǎn)的陀螺。恒星的旋轉(zhuǎn)速度與它們的質(zhì)量存在關(guān)聯(lián)，天文學(xué)家在觀測中發(fā)現(xiàn)，體積和質(zhì)量大的恒星要比體積和質(zhì)量小的恒星旋轉(zhuǎn)的速度慢。在恒星的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)率和年齡之間有某種數(shù)學(xué)的密切相關(guān)性，天文團(tuán)隊(duì)由此建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程，通過測定前兩個(gè)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出后一個(gè)數(shù)據(jù)，通過測定恒星的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)率，可以計(jì)算出恒星的年齡。

天文團(tuán)隊(duì)的成員、德國萊布尼茲天體物理學(xué)研究所的悉尼·巴恩斯解釋說，他們通過詳細(xì)的天文觀測，很好地定義了恒星質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)率和年齡三者的相關(guān)性，單個(gè)恒星年齡的計(jì)算誤差控制在10%的范圍。2003年，巴恩斯第一次展示了恒星年齡測定的方法，天文團(tuán)隊(duì)沿用了以前的方法，巴恩斯將這種獨(dú)特的方法稱之為“旋轉(zhuǎn)年代學(xué)”，英語詞匯gyrochronology由三個(gè)詞根構(gòu)成，希臘語詞根gyros相當(dāng)于英語詞匯的rotation（旋轉(zhuǎn)），希臘語詞根chronos相當(dāng)于英語詞匯的time/age（年齡），希臘語詞根logos相當(dāng)于英語詞匯的study（學(xué)問）。

天文學(xué)家在測定恒星的旋轉(zhuǎn)率時(shí)，首先要檢測恒星亮度的變化值，恒星表面的暗斑引起了恒星亮度的變化，恒星暗斑相當(dāng)于太陽黑子，與對太陽黑子的觀測不同，一顆遙遠(yuǎn)的恒星變成了一個(gè)難以分辨的光點(diǎn)，天文學(xué)家不能直接觀測恒星光盤上的“黑子”，天文學(xué)家找到了替代方法，直接觀測恒星亮度的微小變化，當(dāng)一個(gè)“黑子”呈現(xiàn)在視覺的方向時(shí)，恒星光度出現(xiàn)了微小的下降或變得昏暗一點(diǎn)，反之，當(dāng)一個(gè)“黑子”離開視覺的方向時(shí)，恒星光度發(fā)生了微小的上升或變得明亮一點(diǎn)。

很難測量“黑子”給恒星帶來的光度變化，一顆典型的恒星受到“黑子”的影響時(shí)，光度下降了不到1%，然而，“恒星黑子”需要幾天時(shí)間才能穿過恒星的表面，“火眼金睛”的天文學(xué)家找到了搜索“黑子”的機(jī)會。天文團(tuán)隊(duì)使用了開普勒太空望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)完成了測定恒星光度微弱變化的使命，進(jìn)入退役年齡的開普勒衛(wèi)星似乎“煥發(fā)青春”，開普勒衛(wèi)星回到“青春起跑線”，精確測量了持續(xù)性恒星亮度的微小變化。

在“旋轉(zhuǎn)年齡學(xué)”的概念上精確測定了恒星年齡，天文學(xué)家測量了已知年齡和質(zhì)量的恒星的旋轉(zhuǎn)周期，矯正了標(biāo)準(zhǔn)“恒星時(shí)鐘”。在這之前，梅伯姆和他的同事之前研究了一個(gè)數(shù)十億年齡的恒星團(tuán)，天文團(tuán)隊(duì)觀測了一個(gè)被稱為NGC 6819的星系團(tuán)，它的年齡為25億年。觀測成果在很大程度上擴(kuò)展了恒星的年齡范圍，梅伯姆解釋說，老的恒星通常只有少和小的斑點(diǎn)或“黑子“，對恒星旋轉(zhuǎn)周期的測定變得十分困難。

這些恒星的質(zhì)量相當(dāng)于太陽的80%到140%，天文團(tuán)隊(duì)觀測的30顆恒星的旋轉(zhuǎn)周期為4到23天，相比較而言，太陽目前的旋轉(zhuǎn)周期為26天。天文團(tuán)隊(duì)在星系NGC 6819內(nèi)檢測了8顆恒星，它們的旋轉(zhuǎn)周期與太陽十分接近，平均的旋轉(zhuǎn)周期為18.2天，對比關(guān)系數(shù)值有強(qiáng)烈的暗示，假如太陽的旋轉(zhuǎn)周期為18.2天，它的年齡大約為25億年，而太陽的實(shí)際年齡大于45億年，25億年的年齡相當(dāng)于太陽處在20億年前的年齡，在20億年以前，太陽的旋轉(zhuǎn)周期大約為18.2天。

天文團(tuán)隊(duì)評估了現(xiàn)有的幾個(gè)計(jì)算機(jī)模型，不同模型都以恒星的質(zhì)量和年齡為基礎(chǔ)，從中計(jì)算出恒星的旋轉(zhuǎn)率，天文團(tuán)隊(duì)需要確定，哪一種計(jì)算機(jī)模型最適合實(shí)際觀測的結(jié)果。通過對恒星旋轉(zhuǎn)周期的檢測，他們從銀河系大量的、冷的星場中精確地計(jì)算了它們的年齡，對于研究恒星和伴星的天文學(xué)家來說，天文團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用的計(jì)算恒星年齡的方法取得了重要進(jìn)展，這將幫助天文學(xué)家確定恒星系內(nèi)行星的年齡。足夠老的行星也許演變出復(fù)雜的生命形式，地球上的人類有復(fù)雜的生命形態(tài)，全球智造進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字科技的時(shí)代。《自然》雜志發(fā)表了天文團(tuán)隊(duì)的成果，恒星年齡的課題為開普勒天體集群研究的一部分，梅伯姆擔(dān)任集群研究項(xiàng)目的主要科學(xué)家。

（編譯：2015-1-7）